Đề cương bài giảng Điện tử công suất

Đề cương giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT 1. Giới thiệu chung điện tử cơng suất. 1.1. Khái niệm: Điện tử cơng suất chun ngành nghiên cứu phương pháp thiết bị dùng để biến đổi điều khiển lượng điện. Các thiết bị sản xuất sử dụng loại lượng điện khác nhau, có loại dùng điện chiều, có loại dùng điện xoay chiều, mức điện áp khác nhau, tần số khác nhau, đặc biệt để điều khiển hoạt động thiết bị đó, ta cần điều khiển nguồn lượng điện cấp cho nó. Như vậy, biến đổi điều khiển lượng điện nhiệm vụ hàng đầu tự động hố sản xuất. Việc biến đổi điều khiển lượng điện cơng nghiệp trước chủ yếu sử dụng relay (rơle), dựa vào việc đóng mở relay mà có nguồn điện theo ý muốn. Tuy nhiên, u cầu ngày cao thực tiến sản xuất, kèm theo tiến cơng nghệ bán dẫn cho phép chế tạo phần tử đóng cắt bán dẫn (khơng tiếp điểm) cơng suất lớn nhằm thay mạch relay tiếp điểm –>> ngành Điện tử cơng suất. Như vậy, theo tơi, nói Điện tử cơng suất tức dùng thiết bị điện tử có cơng suất lớn với thuật tốn điều khiển nhằm biến đổi điều khiển lượng điện. 1.2. Ngun tắc biến đổi tĩnh Các biến đổi điện tử cơng suất phân loại dựa vào Điện xoay chiều –>> Điện chiều: Các Chỉnh lưu (Rectifier) điều khiển (dùng Thyristor) khơng điều khiển (dùng Diode) tuỳ theo việc ta có cần điều khiển giá trị dòng điện chiều đầu hay khơng. Điện chiều –>> Điện xoay chiều: Các Nghịch lưu (Inverter). Các nghịch lưu có khả biến dòng điện chiều thành dòng điện xoay chiều có giá trị điện áp tần số thay đổi tuỳ vào luật đóng mở van bán dẫn. Điện chiều –>> Điện chiều: Các Băm xung chiều (còn có tên Điều áp chiều, biến đổi điện áp chiều – DC to DC converter, DC chopper). Các biến đổi biến dòng điện chiều có giá trị cố định thành dòng điện chiều có giá trị điện áp, dòng điện điều khiển được. Điện xoay chiều –>> Điện xoay chiều: Các Biến tần (Frequency Drive) trực tiếp (Cycloconverter) gián tiếp (Inverter). Các biến tần có khả biến nguồn điện xoay chiều có giá trị dòng điện, điện áp tần số cố định lưới điện thành dòng điện xoay chiều có giá trị dòng, áp tần số điều khiển theo ý muốn. Đó phân loại mang tính chất chung chung, sâu vào khía cạnh ta thấy phong phú loại thiết bị biến đổi điện tử cơng suất. 2. Các linh kiện chuyển mạch dùng điện tử cơng suất (Diode, SCR, DIAC, TRIAC, IGBT, GTO). 2.1. Diode. 2.1.1. Cấu tạo: 2.1.2. Đặc tính V-A: Diode lý tưởng gồm trạng thái đóng mở Hình 2.1 Đặc tính Diode lý tưởng Diode thực tế: Đề cương giảng Điện tử cơng suất Với rR = Nghề ĐCN : điện trở ngược diode UBR: điện áp đánh thủng UTO: điện áp rơi diode rF = : điện trở thuận diode Các thơng số diode: Giá trị điện áp đánh thủng UBR Giá trị điện áp ngược lập lại URRM. Giá trị điện áp ngược khơng lập lại: URSM. Dòng điện, nhiệt độ làm việc. Giá trị trung bình cực đại dòng điện thuận I F(AV)M. Giá trị cực đại dòng điện thuận khơng lập lại I FSM. - Đề cương giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN 2.1.3. Đo, Kiểm tra khảo sát Diode 2.1.3.1. Đo. Kiểm tra Diode 2.1.3.2. Khảo sát đặc tuyến Volt – Ampe Diode 2.2. DIAC: (Diod Ac Semiconductor Switch) T2 - Cấu tạo, ký hiệu. N P N T2 T1 Hình 1.70a: Cấu tạo T1 Hình 1.70b: Ký hiệu, hình dáng - Nguyên lý, đặc tính thông số kỹ thuật. Xét mạch điện hình 1.71a: R T2 T2 T1 T1 I T2 -VBO VDC Hình 1.71a IBO -IBO VBO V T1 Hình 1.71b: Đặc tính Với nguồn điện VDC điều chỉnh từ thấp lên cao. Khi V DC = 0V Diac không dẫn, dòng điện qua không. Khi tăng V DC trò số nhỏ dòng điện qua Diac dòng điện rỉ có trò số nhỏ. Nếu ta tăng V DC đến trò số đủ lớn điện Diac tăng đến giá trò V BO điện Diac lại giảm xuống dòng điện qua diac bắt đầu tăng lên nhanh. Điện gọi điện ngập (Breakover) dòng điện tương ứng với dòng điện ngập I BO. Điện VBO Diac có trò số khoảng từ 20V đến 40V. Dòng điện IBO có trò số khoảng từ vài chục µA đến vài trăm µA. Khi đổi chiều dòng điện ngược lại tăng nguồn V DC theo chiều âm Diăc dẫn theo chiều ngược lại ta vẽ đặc tuyến Diac hình 1.71b. Nhìn vào đặc tính Vôn – Ampe Diac ta thấy Diac giống hai diode zener đấu đối đầu hình 1.7a. - Ứng dụng: Dùng cơng ngiệp để mở kích cho SCR, TRIAC điều khiển mạch động cơ, quạt xoay, đèn bàn, đèn đường… THỰC HÀNH VỀ DIAC Nội dung : Đo kiểm tra tốt hay xấu, xác định chân DIAC. Đọc trực tiếp thân DIAC. Nhận dạng hình dáng DIAC. 2.2. Transistor lưỡng cực cổng cách ly- IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Đặc tính động Hình 2.6 Hình 2.7 IGBT thực tế: Đề cương giảng Điện tử cơng suất 1MB-30-060- Fuji Electric Nghề ĐCN Hình 2.9 Hình 2.8 2.3. Thyristor 2.3.1. Trạng thái: Mở. Đóng. Khóa. 2.3.2. Ký hiệu: (Hình 2.9) T: thuận D: khóa R: ngược Điều kiện để mở Thyristor UAK > Xung điều khiển đưa vào cực điều khiển Điều kiện để đóng : điện áp ngược đặt lên A-K Đặc tính V-A Thyristor lý tưởng Ba trạng thái: đóng- mở- khóa Hình 2.10 Thyristor thực tế UBR: điện áp ngược đánh thủng. UBO: điện áp tự mở Th Đề cương giảng Điện tử cơng suất UTO: điện áp rơi Th IH: dòng trì (holding). IL: latching 2.3.3. Đặc tuyến SCR Nghề ĐCN Hình 2.11 Đặc tính điều khiển Thyristor Hình 2.12 Sơ đồ điều khiển Thyristor Hình 2.13 Đặc tuyến V-A Thyristor Đặc tính động: Đề cương giảng Điện tử cơng suất Mở Thyristor Nghề ĐCN Hình 2.14 Đặc tuyến V-A mở Thyristor Khóa Thyristor Hình 2.15 Đặc tuyến V-A khóa Thyristor Đóng Thyristor Hình 2.16 Đặc tuyến V-A đóng Thyristor Đề cương giảng Điện tử cơng suất Thyristor thực tế; Nghề ĐCN Hình 2.17 Thyristor thực tế 2.2.4. KhẢO sát đặc tuyến Volt – Ampe SCR 2.4. GTO (Gate Turn Off Thyristor) Hình 2.18 ký hiệu GTO Đặc tính động: Mở GTO Hình 2.19 Đặc tính GTO mở Đóng GTO Đề cương giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN Hình 2.20 Đặc tính GTO đóng GTO thực tế: 2.5. Triac 2.6.1. Ký hiệu Hình 2.22 Ký hiệu Triac Đề cương giảng Điện tử cơng suất 2.6.2. Đặc tuyến Triac Nghề ĐCN Hình 2.23 Đặc tuyến V-A Triac Triac thực tế: Hình 2.24 Hình dạng Triac 2.6.3. Khảo sát đặc tuyến Triac 3. Các tổn hao mạch điện tử cơng suất. Yếu tố đặc trưng cho hiệu thiết bị cơng suất hệ số cơng suất. Định nghĩa: Hệ số cơng suất tỷ số cơng suất tích cực P cơng suất tồn phần S - (3.1) - Đối với dòng điện điện áp sin lý tưởng hệ số có dạng đơn giản: PF = cosφ Trong φ góc lệch pha dòng điện điện áp, hiệu chỉnh hệ số cơng suấtchính hiệu nchỉnh hay bù cosφ. Trong thực tế dòng điện điện áp thường có dạng sin khơng lý tưởng. Hệ số cơng suất theo cách hiểu đơn giản khơng phù hợp phân tích tính tốn phải xuất phát từ định nghĩa chung (3.1). Để dễ tính tốn dòng điện thực tế coi tổng dòng sin lý tưởng, dòng sin thành phần gọi hài. Hài có tần số thấp nhất, tần số dòng thực tế, gọi hài bản, hài khác, có tần số cao hơn, gọi hài bậc cao. Khi mức độ hay tính chất sin dòng điện thực tế đánh giá tương quan tổng lượng hài bậc cao lượng hài bản. Tương quan gọi hệ số méo dạng tổng thường viết tắt TDH, tỷ số trị hiệu dụng tất dòng bậc cao trị hiệu dụng dòng bản: Đề cương giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN (3.2) Dòng điện có hệ số lớn có dạng khác nhiều so với sin lý tưởng, dòng sin lý tưởng có THD=0. Điện áp thực tế biểu diễn tương tự biểu diễn dòng điện trên. Trong ứng dụng thực tế điện áp dòng điện coi sin lý tưởng hệ số méo dạng tổng khơng lớn 3% [1], nhiên theo tiêu chuẩn hiệp hội kỹ thuật điện giá trị 2% [2]. Nhìn chung điện áp lưới tần số cơng nghiệp chuẩn, trường hợp đề cập đây, coi có dạng sin lý tưởng. Khi đó, theo cách hiểu hay định nghĩa chung hệ số cơng suất (1.1) có dạng sau: (3.3) hệ số Uhd, I1hd, φ tương ứng trị hiệu dụng điện áp nguồn, dòng điện góc lệch pha dòng điện điện áp; Kp =I1hd/Ihd Kφ = cosφ. Quan hệ hệ số méo hài tổng THD hệ số Kp có dạng: (1.5) (3.4) Cuối nhận được: (1.6) (3.5) Biểu thức cho thấy hệ số cơng suất phụ thuộc vào thành phần hài bậc cao, góc lệch pha dòng điện điện áp. Từ dễ thấy để có hệ số cơng suất lớn phải giảm thiểu hàm lượng hài bậc cao thành phần dòng điện vào thiết bị điện tử cơng suất. Thực hành lắp ráp mạch cơng tắc DC dùng BJT 10 Đề cương giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN Cấu hình nghòch lưu chứa cặp diode kẹp: (Neutral point Clamped Multilevel Inverter (NPC) hoặcdiode clamped multilevel inverter):-hình H5.5a, sử dụng thích hợp nguồn dc tạo nên từ hệ thống điện ac. Bộ nghòch lưu đa bậc chứa cặp diode kèm có mạch nguồn DC phân chia thành số cấp điện áp nhỏ nhờ chuỗi tụ điện mắc nối tiếp. Giả sử nhánh mạch dc gồm n nguồn có độ lớn mắc nối tiếp. Điện áp pha – nguồn dc đạt (n+1) giá trò khác từ nghòch lưu gọi nghòch lưu áp (n+1) bậc. Ví dụ chọn mức điện cuối dãy nguồn, mức điện áp đạt gồm (0,U,2U,.,nU). Điện áp từ pha tải (ví dụ pha a) thông đến vò trí mạch dc (ví dụ M) nhờ cặp diode kẹp điểm (ví dụ D1, D1’). Để điện áp pha- nguồn dc đạt mức điện áp nêu (ua0=U), tất linh kiện bò “kẹp” hai diode (D1, D1’) –gồm n linh kiện nối tiếp liên tục kề nhau, phải kích đóng (ví dụ S1, S5’,S4’,S3’,S2’), linh kiện lại bò khóa theo qui tắc kích đối nghòch. Tương ứng với trường hợp kích đóng linh kiện “bò kẹp” cặp diode (hai cặp diode “kẹp” hai vò trí biên trường hợp đặc biệt), ta thu mức điện áp pha- nguồn dc : 0,U,2U, ,5U. Vì có khả tạo mức điện áp pha- nguồn dc nên mạch nghòch lưu hình H5.5a gọi nghòch lưu bậc. Dạng mạch nghòch lưu áp đa bậc dùng cặp diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải giảm shock điện áp linh kiện n lần. Với nghòch lưu ba bậc, dv/dt linh kiện tần số đóng ngắt giảm nửa. Tuy nhiên với n>3, mức độ chòu gai áp diode khác nhau. Ngoài ra, cân điện áp nguồn dc (áp tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt số bậc lớn. 6.3. Phân tích nghòch lưu áp 6.3.1. Phân tích điện áp nghòch lưu áp pha Giả thiết tải ba pha đối xứng thỏa mãn hệ thức: ut1 + ut2 + ut3 = Ta tưởng tượng nguồn áp U phân chia làm hai nửa với điểm nút phân O (một cách tổng quát, điểm phân chọn vò trí mạch nguồn DC). Gọi N điểm nút tải ba pha dạng sao. Điện áp pha tải ut1,ut2,ut3. Ta có: Ut1= U10- UNO 69 Đề cương giảng Điện tử cơng suất Ut2 = U20- UNO Nghề ĐCN ut3 = u30-uNO u10, u20 , u30 gọi điện áp pha -tâm nguồn pha 1,2,3. Các điện áp ut1, ut2, ut3; u10, u20, u30 uNO có chiều dương qui ước vẽ hình H5.4a Cộng hệ thức để ý ut1+ut2+ut3=0, ta có: = U10 +U20 +U30 –3.UNO Từ đó: Thay uNO vào biểu thức tính điện áp pha tải, ta có: Điện áp dây tải: * Hệ quả: Quá trình điện áp ( trình dòng điện) ngõ nghòch lưu áp ba pha xác đònh ta xác đònh điện áp trung gian u10, u20, u30. * Xác đònh điện áp pha - tâm nguồn cho nghòch lưu áp. Cặp công tắc pha: gồm hai công tắc mắc chung vào pha tải, ví dụ (S1S4), (S3,S6) (S5,S2) cặp công tắc pha. Qui tắc kích đóng đối nghòch: cặp công tắc pha kích đóng theo qui tắc đối nghòch hai công tắc cặp trạng thái kích đóng kích ngắt. Trạng thái hai kích đóng (trạng thái ngắn mạch điện áp nguồn ) kích ngắt không phép. Nếu biểu diễn trạng thái kích linh kiện giá trò trạng thái khóa kích 0, ta viết phương trình trạng thái kích linh kiện mạch nghòch lưu áp pha sau: * Qui tắc: Giả thiết nghòch lưu áp ba pha có cấu tạo mạch chiều điện phần tử mạch cho hình vẽ H5.4. Giả thiết công tắc pha kích đóng theo qui tắc đối nghòch giả thiết dòng điện pha tải có khả đổi dấu. Điện áp pha tải đến tâm nguồn pha nguồn có giá trò + kích đóng - U công tắc lẻ pha U công tắc chẵn kích không phụ thuộc trạng thái dòng điện. * Hệ quả: 70 Đề cương giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN 1/- Điện áp tải xác đònh hoàn toàn ta biết giản đồ kích đóng công tắc điện áp nguồn. Do đó, ta điều khiển điện áp ngõû nghòch lưu áp cách điều khiển giản đồ xung kích đóng công tắc. 2/- Nếu cặp công tắc pha không kích đóng theo qui tắc đối nghòch, dạng điện áp tải thay đổi phụ thuộc vào trạng thái dòng điện tải (và tham số tải ). Đây trường hợp kích đóng ý muốn tải dạng cộng hưởng. Dòng điện trạng thái liên tục gián đoạn. Ta cần ý rằng, công tắc kích đóng nghóa dẫn điện. Phụ thuộc vào chiều dòng điện dẫn qua tải xảy trường hợp công tắc kích đóng không dẫn điện mà dòng điện lại dẫn qua diode mắc đối song với công tắc kích đóng. 3/- Dạng dòng điện xác đònh dựa phương trình mạch tải. Ví dụ tải đối xứng ba pha gồm RL mắc nối tiếp, ta có phương trình dòng điện ba pha tải it1, it2, it3. Thời gian chết (dead- time): khỏang thời gian cần thiết áp đặt giản đồ đóng ngắt cặp linh kiện pha tải, khoảng thời gian hai công tắc pha tải bò khóa kích (ví dụ S1,S4). Thời gian chết bắt đầu trình chuyển mạch hai công tắc pha tải để tránh xảy tượng ngắn mạch nguồn. Do thời gian chết nhỏ không đáng kể, trình phân tích hoạt động mạch, ta thường giả thiết bỏ qua giai đoạn này. 6.3.2. Phân tích nghòch lưu áp pha Ta phân tích điện áp tải nghòch lưu áp pha dạng mạch cầu tương tự nghòch lưu áp ba pha. Hai cặp công tắc (S1,S4) (S2,S3) tương ứng với hệ thống hai pha tải đối xứng tưởng tượng (hình H5.6). Rõ ràng : ut =ut1/2=-ut2/2=u10 - u20 (5.10) Nếu công tắc kích theo qui tắc đối nghòch, ta xác đònh dạng áp tải dựa giản đồ kích công tắc điện áp nguồn. 71 Đề cương giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN Phân tích điện áp tải nghòch lưu áp pha dạng nửa cầu: điện áp với điện áp pha tải - tâm nguồn, toán trở nên đơn giản. Phân tích điện áp tải nghòch lưu áp pha dạng cầu: Quá trình điện áp dòng điện vẽ hình (H5.8) Xét trình đại lượng chu kỳ hoạt động chế độ xác lập. Giả thiết thời điểm t=0, thực đóng S1 S2, ngắt S3 S4. Điện áp tải U, dòng điện tải chạy qua mạch (U-S1-S2) tăng lên theo phương trình: Nghiệm dòng điện có dạng: A số, τ =L/R số thời gian. Tại thời điểm t=T/2, thực ngắt S1,S2 đóng S3,S4. Điện áp xuất tải –U, dòng điện qua mạch (U,RL,S3,S4) giảm theo phương trình: Ở trạng thái xác lập, dòng điện biến đổi theo dạng xoay chiều, tuần hoàn. Các số A,B xác đònh từ điều kiện dòng điện tải thời điểm t=0, t=T/2 t=T. Lúc đó, thời điểm t=0: 72 Đề cương giảng Điện tử cơng suất Tại thời điểm t=T/2: Nghề ĐCN Tại thời điểm t=T: Như vậy, trình dòng tải chu kỳ hoạt động biểu diễn sau: Giá trò Imin Imax xác đònh từ trình đối xứng hai nửa chu kỳ điện áp dòng điện tải, từ suy Imax=-Imin. p dụng quan hệ vào hệ thức tính I, ta thu được: Công suất tải: Công suất tiêu thụ tải R-L xác đònh theo hệ thức R.I t2 với It trò hiệu dụng dòng điện qua tải tính theo biểu thức: Công suất tải xác đònh theo trò trung bình dòng qua nguồn dc Is ta bỏ qua tổn hao linh kiện nghòch lưu: Phân tích sóng hài: Quá trình điện áp tải qua phép phân tích Fourier có dạng: p tải chứa thành phần hài bậc lẻ. 73 Đề cương giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN Độ méo dạng điện áp tính theo hệ thức sau: Dễ dàng suy rằng: Độ méo dạng điện áp nghòch lưu cầu pha lớn trường hợp áp dạng vuông nên có tác dụng không tốt. Điều giải thích loại điện áp không sử dụng phổ biến thực tiễn. Độ méo dạng dòng điện phụ thuộc vào tải xác đònh theo hệ thức: 6.3.3. Phân tích điện áp nghòch lưu áp đa bậc Xét nghòch lưu áp bậc dạng chứa cặp diode kẹp (NPC) hình vẽ H5.5a. Gọi U độ lớn điện áp tụ riêng lẻ. Phụ thuộc độ lớn điện áp pha – nguồn dc cần thiết lập, linh kiện bò kẹp cặp diode nối đến điện mạch dc cần thiết lập trạng thái kích. Điện áp pha-tâm nguồn dc (phase -to- pole voltage), tính từ điểm đấu dây pha tải đến điện mạch dc, trường hợp hình vẽ điểm 0, đạt giá trò cho bảng B5.1 sau đây: Với x=1,2,3. Trạng thái đóng ngắt khóa bán dẫn nhánh tải pha a,b,c thỏa mãn điều kiện kích đối nghòch: S1j+S’1j=1 ; S2j+S’2j=1 ; S3j+S’3j=1 ; j=1,2,3,4,5 (5.28) Điện áp pha tải trường hợp pha tải đối xứng đấu dạng Y thiết lập tương tự trường hợp nghòch lưu áp hai bậc: 74 Đề cương giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN Trong trường hợp pha tải dạng tam giác, điện áp pha tải điện áp dây nghòch lưu cung cấp: ut12 =u10 - u20; ut23 = u20 - u30; ut31 = u30 - u10 (5.30) 6.3.4. Các phương pháp điều khiển nghòch lưu áp đa bậc Các phương pháp điều khiển áp dụng cho nghòch lưu áp hai bậc phương pháp điều chế độ rộng xung dạng cải biến nó, phương pháp điều khiển vector, phương pháp khử sóng hài tối ưu, phương pháp điều khiển dòng điện (hay vector dòng điện)…. điều chỉnh để áp dụng cho nghòch lưu áp đa bậc. Bộ nghòch lưu áp đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu tải công suất lớn. Do đó, vấn đề giảm bớt tần số đóng ngắt giảm shock điện áp dv/dt linh kiện công suất có ý nghóa quan trọng. Các thuật toán điều khiển cố gắng thực trì trạng thái cân nguồn điện áp dc khử bỏ tượng common-mode voltage, nguyên nhân gây số tượng làm sớm lão hóa động cơ. Phương pháp điều biên không phát huy ứng dụng điều khiển nghòch lưu áp hai bậc lại tỏ hiệu ứng dụng nghòch lưu áp đa bậc cho tải công suất lớn, hệ thống điều khiển lượng điện ac. 6.3.4.1. Phương pháp điều rộng p dụng cho nghòch lưu đa bậc có cặp diode kẹp đến nguồn nghòch lưu áp đa bậc cascade. Xét nghòch lưu áp ba bậc hình H5.41, việc điều khiển điện áp tải thực theo giản đồ hình H5.35 pha a cách thay đổi độ rộng góc . α Điện áp pha- tâm nguồn: 75 Đề cương giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN Từ điện áp pha – tâm nguồn, sử dụng hệ thức (5.5), ta dẫn giải trình điện áp pha tải. Điện áp tải có dạng 12 bước. Khi góc điều khiển giảm đến giá trò zero, ta thu dạng áp bước nghòch lưu áp hai bậc. Phương pháp điều khiển 12 bước có hệ số méo dạng lớn số điều chế thấp, phương pháp điều chế độ rộng xung có dạng chất lượng hơn. 6.3.4.2. Phương pháp điều biên Tương tự phương pháp điều biên nghòch lưu áp hai bậc, điện áp nguồn dc điều khiển thay đổi độ lớn. Điện áp ngõ điều khiển theo dạng bậc thang nhiều bước (H5.35b). Góc chuyển mạch linh kiện tính tóan để sóng hài hạn chế tối đa. Các giá trò góc chuyển mạch thiết lập sẵn xung kích đóng thực theo dạng tra bảng (look-up table). Phương pháp điều khiển đơn giản, tần số đóng ngắt thấp. Phương pháp sử dụng chủ yếu hệ thống bù nhuyễn công suất phản kháng cho lưới (static var compensator). Sự cân điện áp nguồn dc không vấn đề trở ngại ứng dụng vừa nêu. 6.3.4.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung Phương pháp có tên Subharmonic PWM (SH-PWM), Multilevel carrier based PWM. Để thực tạo giản đồ kích đóng linh kiện pha tải, ta sử dụng số sóng mang (dạng tam giác) tín hiệu điều khiển (dạng sin). Đối với nghòch lưu áp m bậc, số sóng mang sử dụng (m-1). Chúng có tần số fc biên độ đỉnh-đỉnh Ac. Sóng điều khiển (hay sóng điều chế) có biên độ đỉnh- đỉnh Am tần số fm dạng sóng thay đổi chung quanh trục tâm hệ thống (m-1) sóng mang. Nếu sóng điều khiển lớn sóng mang linh kiện tương ứng sóng mang kích đóng, trường hợp sóng điều khiển nhỏ sóng mang tương ứng nó, linh kiện bò khóa kích. Bộ nghòch lưu đa bậc dạng mạch bò diode kềm 76 Đề cương giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN Chẳng hạn, xét pha a nghòch lưu áp ba bậc hình H5.41. Xung kích cho linh kiện Sa1,Sa2,Sa3,Sa4 thiết lập sở so sánh sóng điều khiển ura pha a với sóng mang up1 (đối với xung kích cho cặp Sa1 Sa3) up2 (đối với xung kích cho cặp Sa2 S ). Cụ thể là: Từ giản đồ thiết lập trên, điện áp pha- tâm nguồn xác đònh, ví dụ cho pha a: ⎩ Từ đó, sử dụng hệ thức (5.5), (5.6) để xác đònh điện áp tải. Chỉ số biên độ ma tỉ số tần số mf nghòch lưu đa bậc đònh nghóa sau: Ba dạng phối hợp sóng mang thường sử dụng gồm (xem hình H5.36a): 77 Đề cương giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN a. Hai sóng mang kế cận liên tiếp bò dòch 180 độ –APOD (Alternative Phase Opposition Disposition) b. Bố trí đối xứng qua trục zero (POD- Phase opposition Disposition). Các sóng mang nằm trục pha nhau, ngược lại, sóng mang nằm trục bò dòch 180 độ. c. Bố trí pha (DP- In phase disposition): tất sóng mang pha. Trong phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí sóng mang đa bậc pha cho độ méo dạng áp dây nhỏ nhất. Đối với nghòch lưu áp ba bậc, phương pháp POD APOD cho kết dạng sóng mang. Bộ nghòch lưu đa bậc dạng cascade: phương pháp điều chế độ rộng xung sử dụng sóng mang dòch pha (Phase Shifted Carrier PWM-PSCPWM) phương pháp điều chế sử dụng. Theo đó, nghòch lưu áp cầu pha mạch cascade có nguyên lý điều chế PWM giống 78 Đề cương giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN nghòch lưu cầu pha. Các sóng mang nghòch lưu có biên độ tần số độ dòch pha sóng mang π /m, m số nghòch lưu cầu pha. Trên hình vẽ H5.37 nghòch lưu dạng cascade bậc. Ở nhánh pha, cóù sóng mang lệch pha góc /2 sử dụng. Giản đồ kích linh kiện thiết lập sở so sánh sóng mang tín hiệu áp điều khiển (dạng sin) qui tắc kích đối nghòch. Điện áp tạo thành ngõ nghòch lưu áp pha (uπa,ua’) có dạng ba bậc. Chúng kết hợp tạo thành điện áp pha- tâm nguồn (uao) dạng bậc. 6.3.4.4. Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM Switching Frequency Optimal PWM method- SFO-PWM)) Có kỹ thuật thực phương pháp điều chế độ rộng xung vừa trình bày. Điểm khác biệt sóng điều chế cải biến. Theo đó, sóng điều chế cộng thêm tín hiệu thứ tự không (sóng hài bội ba). Tồn nhiều khả tạo nên thành phần thứ tự không, Một tín hiệu thứ tự không chọn trò trung bình giá trò tín hiệu lớn tín hiệu điều chế với tín hiệu nhỏ tín hiệu điều chế- phương pháp SFO-PWM. Gọi Va*,Vb*,Vc* tín hiệu điều khiển phương pháp điều chế PWM. Tín hiệu điều khiển theo phương pháp SFO-PWM vừa mô tả biểu diễn dạng toán học sau: Sơ đồ thực tạo tín hiệu điều chế cải biến từ tín hiệu điều chế dạng sin vẽ hình H5.39. Tín hiệu điện áp điều chế điện áp ngõ nghòch lưu vẽ hình H5.40. Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến sử dụng cho tải ba pha – dây. Hệ phương pháp điện áp pha tải tăng lên khoảng 15% so với phương pháp điều chế độ rộng xung sin phần trên, trước đạt đến phạm vi điều chế mở rộng (overmodulation). 6.3.4.5. Phương pháp điều chế vector không gian 79 Đề cương giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN Vector không gian nghich lưu áp đa bậc: Quá trình đóng ngắt linh kiện tạo điện áp ba pha tải với vector không gian thay đổi nhảy cấp hình lục giác đa bậc. Ví dụ, nghòch lưu áp ba bậc, khả điều khiển kích dẫn linh kiện tạo nên 27 trạng thái khác nhau, trạng thái minh họa tổ hợp (kakbkc),với ka=0,1,2 ;kb=0,1,2; kc=0,1,2 .là hệ số trạng thái tương ứng pha a,b,c. Ví dụ: xét hệ số ka pha a ta có: Trong trình kích dẫn, qui luật sau tuân thủ: Từ đó, chẳng hạn, trạng thái (200) có nghóa là: Sa1=Sa2=1; Sb3=Sb4=1;Sc3=Sc4=1. Theo đònh nghóa vector không gian, tương ứng 27 trạng thái kích dẫn linh kiện ta thu 19 vò trí vector không gian vector điện áp tạo thành, bao gồm 12 vector nằm đỉnh trung điểm hình lục giác lớn bao ngoài, vector điện áp nằm đỉnh hình lục giác bên vector không tâm hình lục giác (hình H5.41). Đối với vector nằm đỉnh hình lục giác bên trong, tồn hai trạng thái kích dẫn khác linh kiện lại có chung vò trí vector không gian. Ngoài ra, tồn trạng thái kích dẫn khác cho vò trí vector không. Điều chế vector không gian nghòch lưu áp đa bậc: Về nguyên lý, phương pháp điều chế vector không gian nghòch lưu áp đa bậc ược thực tương tự nghòch lưu áp hai bậc. Để tạo vector trung bình tương ương với vector v cho trước, trước hết cần xét xem vector v nằm vò trí nh lục giác (hexagon). Để thuận tiện, thông thường diện tích hình lục giác chia nhỏ ành hình tam giác con. Ví dụ, góc phần sáu thứ hình lục giác giới hạn ba vector v0, v v chia nhỏ thành diện tích (1), (2),(3) (4) hình vẽ H5.42. Vector v khảo sát cần điều khiển để đạt có vò trí nằm phần diện tích (2). Bước tiếp theo, ta xác đònh vector không gian cần thiết- gọi vector bản, cần sử dụng để tạo nên vector trung bình nằm diện tích (2). Rõ ràng, trường hợp này, vector tương ứng v , v v 3. Như vậy, vector tương đương với vector v thực cách điều khiển trì tác dụng theo trình tự vector v thời gian T1, vector v thời gian T2 vector v thời gian T3 theo hệ thức: 80 Đề cương giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN Vấn đề lại xác đònh thời gian tác dụng T1,T2 T3 vector bản. Nếu ta biết vector v dạng thành phần vuông góc Vα ,Vβ hệ tọa đứng yên (stationary frame), quan hệ thành phần vector V β − α α ,Vβ với thời gian trì trạng thái vector v , v v biểu diễn dạng ma trận sau: Với V1 α ,V2 α ,V3 α ,V1 β ,V2 β ,V3 β thành phần theo trục tọa độ α β vector hình lục giác v , v v Từ đó, thời gian xác đònh (áp dụng ma trận ngược): hay dạng thời gian tương đối: dj=Tj/Ts; j=1,2,3 p dụng cụ thể vào diện tích hình tam giác góc phần sáu thứ hình lục giác, ý đến vector diện tích trên, ta thu kết sau (xem hình H5.42): Trong diện tích (1), vector v0,v1 v4 81 Đề cương giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN Nếu vector nằm góc phần sáu thứ i so với góc phần sáu thứ hình lục giác tính từ vò trí trục thực α, ta qui đổi góc phần sáu thứ để xác đònh thời gian tác động vector theo hệ thức: 82 Đề cương giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN Thực kỹ thuật điều chế vector không gian cho nghòch lưu áp ba bậc: Giản đồ kích dẫn linh kiện nghòch lưu áp ba bậc minh họa hình H5.43, áp dụng cho góc phần sáu thứ hình lục giác. Chú ý trạng thái kích dẫn linh kiện nhánh pha tải cho qui luật đối nghòch nên giản đồ cần trình bày trạng thái Sx1 Sx2, x=a,b,c. Từ giản đồ ta thấy trạng thái kích dẫn tương ứng vector V , V V . Thời gian kích dẫn vector suy từ biểu thức tính toán T1,T2,T3 kỹ thuật điều chế độ rộng xung dựa vào sóng mang hình vẽ H5.43. Ghi quan trọng: * Trong mạch có mass, mass điện mass máy. Sinh viên làm thực tập phải thật cẩn thận, tránh bị điện giật. * Trong thực tập dùng SCR E-MOSTFET kênh N với sơ đồ chân sau: 83 Đề cương giảng: Điện tử cơng suất Nghề: Điện cơng nghiệp 61 [...]... gì? Giải thích? 32 Đề cương bài giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN 2.4.2 Ổn áp ngắt mở 33 Đề cương bài giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN Ghi chú quan trọng: * Trong mạch có 2 mass, một mass điện và 1 mass máy Sinh viên khi làm thực tập phải thật cẩn thận, tránh bị điện giật * Trong bài thực tập dùng SCR và E-MOSTFET kênh N với sơ đồ chân như sau: 34 Đề cương bài giảng Điện tử cơng suất 3 Bộ băm áp (chopper)... xứng 6.2.1 Sơ đồ 26 Đề cương bài giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN Ba cách cấp xung điều khiển Cấp 2 xung điều khiển đúng thứ tự pha, 2 xung điều khiển khơng đúng thứ tự pha, ba xung điều khiển như bảng dưới 6.2.2 Lắp ráp và khảo sát - Điện áp ngõ vào - Điện áp ngõ ra - Tính tốn các thơng số 27 Đề cương bài giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN Bài 3: BIẾN ĐỔI DC-DC (DC - DC CONVERTER) 1 Đại cương về biến đổi... 16 Đề cương bài giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN * Thơng số của sơ đồ: Điện áp, dòng điện chỉnh lưu và ngắt điện - Udtb =2 - Dòng điện tải: Id = Udc/Rd I\Dtb = dωt = 2 U2 = 0,9 U2 ; IDhd = UND = 2 SBA = = 1,48 UdId * Lắp ráp và khảo sát - Điện áp ngõ vào - Điện áp ngõ ra - Tính tốn các thơng số 3.2 Chỉnh lưu có điều khiển * Sơ đồ mạch 3.2.1 Tải thuần trở: Udtb = dωt = 0,9 U2 17 Đề cương bài giảng Điện. .. đồ khối mạch ổn áp song song 29 Đề cương bài giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN - Cơng suất ổn áp (phần tử điều khiển): Thường là một transistor cơng suất lớn, hoạt động như một điện trở thay đổi - So sánh(dò sai): So sánh điện thế lấy mẫu và điện thế chuẩn để tạo thành điện thế điều khiển V DK để điều khiển mạch kích tạo dòng kích cho cơng suất - Tạo điện áp chuẩn: Tạo điện thế chuẩn Vref cho mạch so... - Điện áp ngõ vào - Điện áp ngõ ra 22 Đề cương bài giảng Điện tử cơng suất - Tính tốn các thơng số Nghề ĐCN 5.2 Chỉnh lưu có điều khiển 5.2.1 Sơ đồ Định nghĩa về góc thơng tự nhiên 5.2.2 Ngun tắc điều khiển 23 Đề cương bài giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN 5.2.3 Hoạt động của sơ đồ khi tải thuần trở Thơng số của sơ đồ Khi tải thuần trở góc mở nhỏ hơn 300 Udtb = dωt = U2f = 1,17 U2f Khi góc mở ngắt điện. .. các ngắt điện bán dẫn: Nhóm ngắt điện nối chung Kathode: Điện áp anode của diode nào dương hơn thì diode ấy dẫn Khi đó điện thế điểm A bằng điện thế anode dương nhất Ngun tắc dẫn và điều khiển Thyristor: 13 Đề cương bài giảng Điện tử cơng suất Nhóm ngắt điện nối chung anode: Nghề ĐCN Điện áp cathode ngắt điện nào âm hơn hơn thì diode ấy dẫn Khi đó điện thế điểm K bằng điện thế anode âm nhất Ngun tắc... Đề cương bài giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN 5 Chỉnh lưu tia 3 pha Chỉnh lưu khơng điều khiển Chỉnh lưu có điều khiển Hiện tượng trùng dẫn 5.1 Chỉnh lưu khơng điều khiển 5.1.1 Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha khơng điều khiển 21 Đề cương bài giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN 5.1.2 Sơ đồ và đặc tuyến 5.1.3 Thơng số của sơ đồ Điện áp, dòng điện chỉnh lưu và ngắt điện Udtb = - dωt = U2f = 1,17 U2f Dòng điện tải:... tải điện cảm Sơ đồ điển hình có dạng: Dòng điện được xác định bởi phương trình vi phân: U1 = Rd.i + Ld Trong đó: I: dòng điện tải Rd: điện trở tải 35 Đề cương bài giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN Ld: điện cảm tải Ibđ: dòng điện ban đầu của chu kỳ đang xét (mở hay đóng khóa K); I XL: dòng điện xác lập của chu kỳ đang xét Khi khóa K đóng ; khi khóa K mở IXL = 0 i = Ibd + IXL Hằng số thời gian điện tử. .. khảo sát - Điện áp ngõ vào - Điện áp ngõ ra - Tính tốn các thơng số 14 Đề cương bài giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN 2.1.2 Chỉn lưu khơng điều khiển tải thuần trở R, L * Sơ đồ mạch Do có tích lũy và xả năng lượng của cuộn dây, do đó dòng điện và điện áp có dạng như hình vẽ * Các thơng số sơ đồ: Điện áp tải: Ud = dωt = 0,45 U2 - Dòng điện tải: Id = Udc/Rd Dòng điện chạy qua diode: ID = Id - Điện áp ngược... (Insulated Gate Bipolar Transistor) Đặc tính động 12 Đề cương bài giảng Điện tử cơng suất Nghề ĐCN Bài 2: CHỈNH LƯU 1 Khái qt chung 1.1 Khái niệm cơ bản Định nghĩa: chỉnh lưu là thiết bị biến đổi dòng điện (điện áp) xoay chiều thành dòng điện (điện áp) một chiều Cấu trúc như hình vẽ 1.2 Phân loại - Theo số pha: một pha, hai pha, ba pha, sáu pha - Theo loại ngắt điện - Mạch chỉ dùng tồn diode là chỉnh lưu khơng . Đề cương bài giảng Điện tử công suất Nghề ĐCN BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1. Giới thiệu chung về điện tử công suất. 1.1. Khái niệm: Điện tử công suất là chuyên ngành. GTO 7 Đề cương bài giảng Điện tử công suất Nghề ĐCN Hình 2.20 Đặc tính GTO khi đóng GTO thực tế: 2.5. Triac 2.6.1. Ký hiệu Hình 2.22 Ký hiệu Triac 8 Đề cương bài giảng Điện tử công suất Nghề. thành phần của dòng điện vào của các thiết bị điện tử công suất. Thực hành lắp ráp mạch công tắc DC dùng BJT 10 Đề cương bài giảng Điện tử công suất Nghề ĐCN Thực hành mắc mạch công tắc xoay chiều